大型船用感应推进电机设计

戴 勇，朱 军，郑宜锋，韦文武



大型船用感应推进电机设计

戴 勇，朱 军，郑宜锋，韦文武

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

船用感应推进电机是船舶采用综合电力推进系统的关键设备之一，大型船用感应推进电机设计与常规电机设计具有较大差异。本文从电磁、结构、通风冷却和绝缘设计等方面开展大型船用感应推进电机设计，并通过10MW感应推进电机样机的制造和试验，验证了设计的合理性和准确性。

大型船用 感应推进电机设计 试验

0 引言

随着电力电子器件、变流技术、船东控制系统以及新能源等高新技术的快速发展，船舶电力推进正在经历着巨大变革。船用电力推进系统因其在综合利用能源、降低船舶噪声、提高机动性能、扩大有效舱容、环保等方面的优势，已成为当今世界高技术船舶动力系统发展的一种主流趋势，并被广泛应用于豪华游轮、火车渡船、供应船、支持船、布缆船、海洋浮式平台、集装箱船、液化天然气（LNG）运输船、油轮等高技术民用船舶和各类水面和水下舰船。

推进电机是船舶综合电力推进系统的关键设备之一，由推进变频器供电，直接或通过舵桨驱动螺旋桨。感应推进电机采用鼠笼式感应电动机，与电励磁同步电动机和永磁电动机相比具有结构简单、转子基本无维护等自身天然优势特点，但常规的设计方法，不能满足推进电机具有高转矩密度、低振动噪声和大气隙强抗冲击性等特点，被越来越多的船舶电力推进系统采用。

1 大型感应推进电机设计

推进电机要求体积小、重量轻，并安装在船体，船舶航行存在冲击振动以及意外的撞击，因此大功率感应推进电机设计需采用先进的设计方法，才能满足船舶电力推进系统的要求。

1.1 电磁设计

1.1.1 相数选择

大功率船舶由于推进功率较大，而变频器受电力电子器件的影响，不可能承受较高的电压和较大的电流。在电机容量一定和相电流(或相电压)不变的情况下，电机定子相数增加，可以降低供电电压(或电流)；同时避免了功率器件的串并联。由于相数增加，多相电机在定子缺相时可降额继续运行而不必停车，使系统的可靠性、容错性提高。m相电枢绕组合成的由μ次时间谐波电流产生的ν空间谐波磁势谐波为：

通过磁势分析，相数采用多相，比三相存在先天优势使得影响较大的空间谐波次数增大，且幅值下降，转矩脉动下降。同时多相电机采用集中整距绕组可以最大限度的利用绕组系数。

1.1.2 磁路设计

磁路计算主要有气隙磁势计算、齿磁势计算和轭磁势计算。气隙磁势计算方法与常规基本相同。常规设计公式中使用的轭部磁压降校正系数计算轭磁势和采用1/3齿计算齿磁势，定子一般采用开口槽，定子齿亦为变截面齿，磁密沿齿高方向相差亦很大。通过开发采用数值积分方法求齿磁势，即将齿高方向分成若干层，只要层数足够，就可以认为每层磁密沿高度方向是均匀分布的。定转子齿磁势计算公式为：

式中()为磁化强度，通过磁化曲线插值计算获得，()沿齿高方向变化。在分层计算齿磁密的同时，可计算每层的铁耗，这样能较真实地反映铁耗的分布情况。

1.1.3 感应电机设计程序

为此设计了感应推进电机电磁设计程序。

1.2 冷却设计

大功率感应推进电机的高效冷却设计涉及两个方面：一是电机本体的热设计，电机的热源集中在定转子，冷热源的相互作用区域也在此，因此，要保证电机的冷却效果，就必须做好电机本体内的冷热源的匹配设计。二是功能性的冷却系统设计，在总体结构上，推进电机通过合理布置冷却系统，大大降低了外形尺寸。

1）引入电机等温升设计理念，主动预测、控制、管理电机内部的冷热起源、传递路径、相互匹配。

2）引入通过精确验证的先进的设计方法。通过先进的三维数值设计方法，可以得到电机内部的流动与温度定量分布，根据这些数据，可以有效规避影响到换热的不利设计，同时进行针对性的优化设计。实现推进电机的高效冷却设计，主要开展以下具体工作：

3）结合冷却系统的结构特点，设计了与结构特点匹配的内部流道，一是规整了流动通道，降低了流动的紊乱程度，从而降低了流动阻力；二是风机出口动压小，空气离开风机后进入电机本体时流动损失大为减小；三是将冷却气体均匀地吹拂端部绕组，改善了冷却效果。同时通过通风冷却模型进行模拟分析测试，使推进电机的冷却效果达到最佳。

1.3 结构设计

结构设计是保证推进电机可靠运行的前提下，充分考虑对外形尺寸、重量、噪声振动性能和风路的影响，需重点针对总体结构型式、端盖、轴承、转子支架等方案进行了分析，并开展机座、端盖、轴承、转轴等重要零部件的力学分析计算，并开展相关优化工作。

从图3和图4 可以看出，优化后的电机结构更为紧凑，同时大大降低了电机的高度。

通过结构优化，大功率感应推进电机转轴采用空心轴结构，转子的重量可减少20%。

1.4 绝缘设计

对于采用变频供电的推进电机而言，绝缘的电气性能十分关键。712研究所开展对中压试样进行老化试验,分析不同老化电压、温度和频率下tanδ和C的变化趋势,结合空间电荷、局部放电、介质发热理论及试样内部结构变化的数据，对于推进电机的绝缘设计有极强的指导意义。

此外，主绝缘材料的导热、耐电晕性能的改进，也对推进电机性能的提升也有着十分重要的意义。712研究所通过提高云母带的导热性、耐电晕性研究及其试验验证研究，高导热云母带成型工艺研究和降低绝缘漆挥发份研究，提高导热性、耐电晕性、耐热性、机械强度及其实验验证研究；将绝缘漆的导热系数从0.18w/mk提到0.35w/mk，通过填料分散技术的研究，将云母带用胶黏剂进行改性，制备了不同增强材料的导热云母带，并将云母带的导热系数提高到0.44w/mk左右，目前该技术处于国内领先水平。

2 样机制造和试验

运用大功率感应推进电机设计方法和设计手段，设计并制造了一台10 MW感应推进电机样机，并开展相关试验研究。 通过试验研究，试验数据表明，推进电机性能与西门子电机性能相当，同时底脚振动速度仅为0.125mm/s。

3 结论

通过对大功率感应推进电机设计分析，可以得到以下结论：

1）电磁设计引入数值积分方法，能精确计算齿磁势、轭磁势和鉄耗。

2）冷却系统设计统筹部件和系统设计，并通过通风冷却模型进行模拟试验，达到高效冷却的效果。

3）结构设计需充分考虑对外形尺寸、重量、噪声振动性能和风路的影响，合理布置电机结构。

4） 通过10MW感应推进电机样机制造和试验，表明推进电机具有很好的性能指标。

[1] 陈世坤等. 电机设计. 北京：机械工业出版社.

[2] 孙良友. 多相感应电机磁势分析及仿真试验研究 [J]. 船电技术，2011.

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[4] Aníbal T. de Almeid. Beyond induction motors-Technology Trends to Move Up Efficiency . IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS. 2014

Design of High Power Induction Prolusion Motor for A Ship

Dai Yong, Zhu Jun, Zheng Yifeng, Wei Wenwu

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

Induction propulsion motors are one of the most important equipments in the system of marine electric propulsion. There are some big differences in the design of large induction propulsion motors and regular motors. This paper discusses the design of induction propulsion motors including the aspects of electromagnetic, structure, cooling system and insulation. The conclusions are verified and testified from the manufacture processes and experiments.

high large power ship; induction propulsion motor; experiment

TM343

A

1003-4862（2016）03-0016-04

2015-12-09

戴勇（1977-），男，硕士。研究方向：电机工程。